现代遗传学教程-从基因到表型的剖析（第4版）课件 第15章群体遗传分析

第十五章

群体遗传分析GeneticAnalysisofPopulation中山大学《遗传学》2025版授课老师：XXXXXX@群体、基因库和基因频率02哈迪-温伯格遗传平衡定律03群体遗传平衡的影响因素0401群体的遗传多态性23学习要点概念掌握群体遗传学群体基因库基因频率基因型频率随机交配遗传多态性突变自然选择适合度选择系数遗传漂变取样误差有效群体大小奠基者效应瓶颈效应中性突变迁移基因流近交衰退遗传负荷近交系数群体分化理解规律哈迪-温伯格定律

影响遗传平衡的几大因素及其规律数据计算

估算等位基因频率

检测群体是否处于哈迪-温伯格平衡适合度与选择系数计算突变、选择、迁移影响下的基因频率估算近交系数与近交影响下的基因型频率估算4ABO血型在中国各地的频率分布5群体遗传学(populationgenetics)研究群体的遗传变异分布及基因和基因型频率的维持或变化规律的学科涉及群体中遗传变异的产生方式，以及这些方式的改变和进化等研究对象是群体群体、基因库和基因频率01SECONE67群体与基因库孟德尔群体(mendelianpopulation)：一群相互交配的个体，其基因的传递遵循孟德尔定律基因库(genepool)：群体中所有个体的全部基因在某一区域孟德尔群体中所产生的突变只能在种内部扩散，而不会越过种的界线进行转移，这也是生物学上“种”概念（biologicalspeciesconcept）的基础对于无性繁殖的生物，群体则是指由共同亲本来源的个体的集合8基因型频率(genotypicfrequency)带有某种基因型的个体数量占群体内所有个体数量(N)的比例基因型AAAaaa个体数n1n2n3基因型频率n1/Nn2/Nn3/N9等位基因频率(allelicfrequency)某种等位基因占所有等位基因总数(2N)的比例，也称为基因频率（genefrequency）等位基因Aa基因数2n1+n22n3+n2基因频率p=(2n1+n2)/2Nq=

(2n3+n2)/2N10两个频率比较等位基因数比基因型数量少配子只考虑等位基因频率基因库的进化主要体现在等位基因频率的改变哈迪-温伯格平衡定律02SECTWO1112哈迪-温伯格定律（Hardy-Weinbergprinciple)一个不发生突变、迁移和选择的无限大的随机交配群体中，基因型频率和基因频率会保持不变又被称为遗传平衡定律（lawofgeneticequilibrium）13各基因型配子随机结合假定群体中个体间有均等机会随机交配，故基因库中的各基因型的配子结合也是随机的A(p)a(q)A(p)AA(p2)Aa(pq)a(q)Aa(pq)aa(q2)子代基因型频率：AA(p2),Aa(2pq),

aa(q2)，平衡状态

14哈迪-温伯格定律特征需满足随机交配的条件，群体足够大与起始条件无关，只需一代随机交配就能达到平衡，即群体的基因型频率决定于它的基因频率需排除其他影响因素，没有进化压力（突变、迁移和自然选择）下的随机交配15多个等位基因的平衡态两个等位基因的平衡态：AA(p2),Aa(2pq),

aa(q2)三个等位基因的平衡态：

a1(p)a2(q)a3(r)a1(p)a1a1(p2)a1a2(pq)a1a3(pr)a2(q)a1a2(pq)a2a2(q2)a2a3(qr)a3(r)a1a3(pr)a2a3(qr)a3a3(r2)n个等位基因的平衡态？16判断群体是否处于哈迪-温伯格平衡的方法卡方检验AAAaaa观测值oo1o2o3期望值ee1=p2e2=2pqe3=q2(o-e)2/e(o1-e1)2/e1(o2-e2)2/e2(o3-e3)2/e3X2(o1-e1)2/e1

+

(o2-e2)2/e2

+

(o3-e3)2/e3零假设：遗传平衡，观测值与期望值没有显著差异如果X2比较大，那就拒绝零假设，群体不处于平衡态17利用平衡定律估算等位基因频率隐性基因控制的遗传病，观测值f(aa)

f(aa)=q2苯丙酮尿症基因计算IA，IB，i三个基因频率复等位基因频率分析ABO血型18X染色体基因的频率估算隐性基因发病率男:女=q:

q2=1:q显性基因发病率男:女=p:

(p2+2pq)=1:(p+2q)若在两性中基因频率不同的，需经过连续多代振荡后平衡0.666群体遗传平衡的影响因素03SECTHREE1920影响遗传平衡的因素遗传平衡定律：一个不发生突变、迁移和选择的无限大的随机交配群体中，基因型频率和基因频率会保持不变妨碍平衡状态的各种因素在不断起作用，导致群体的遗传组成发生改变，从而引起生物进化改变平衡的动力种类有很多，有时改变动力的方向还不一致，因此一个现实的群体永远处在多种力量的动态作用之中21影响因素1：突变突变可以产生新的等位基因，增加遗传多态性，提供生物进化的原材料突变使原有的等位基因频率降低假设常染色体上有一对等位基因A

和

a，A基因的频率为p0，每代A突变为a的突变率为u。那么一代后A的频率p1＝p0－up0＝p0（1－u）；t代后A的频率pt＝p0（1－u）t突变的发生频率比较低，对基因频率的改变需要长时间突变率u＝10-5

为例，基因A的频率从1.00变为0.99需经历1000代，从0.50到0.49需经历2000代，而从0.10到0.09则需经历10000代22突变与回复突变两个等位基因互相突变成对方这种情况下的平衡态基因频率与两个突变率的比值有关A

a

vu23影响因素2：自然选择(naturalselection)在自然选择压力下，群体中一些基因型的个体相对于其他基因型个体具有更强的生活力（viablity）和（或）生殖力（fertility），从而具有更多的后代，导致这些基因在后代中的频率增加通过自然选择，对生存和繁殖有利的性状逐代增加，这样就使群体的基因频率发生定向改变，推动生物进化过程24适合度与选择系数适合度(fitness)：带有某种基因型的个体相对于其他基因型个体将其基因传递到其后代基因库中去的相对能力，可用相对适合值（relativefitnessvalue）W来度量选择系数(selectivecoefficient)：在选择作用下降低的相对适合值，可用S=1-W来度量25适合度与选择系数的计算基因型AAAaaa个体平均子代个数nn1n2n3适合度Wn1/n1=1n2/n1n3/n1选择系数S1-1=01-n2/n11-n3/n126自然选择对基因频率的改变讨论自然选择对于一对等位基因A和a的影响自然选择的偏好W(AA)最大W(aa)最大W(Aa)最大三个W一样大基因频率变化趋势A逐渐增大a逐渐减少A逐渐减少a逐渐增大A和a频率会趋向一个平衡态没有特定方向自然选择的正负类型对于A是正选择对于a是负选择对于A是负选择对于a是正选择平衡选择中性选择对遗传多态性的影响减少等位基因，减小遗传多态性维持多态性不施加影响27负选择作用于隐性基因a时基因型AAAaaa起始频率p22pqq2适合度111-S一代后频率p2/(1-Sq2)2pq/(1-Sq2)q2(1-S)/(1-Sq2)a频率变化值-Spq2/(1-Sq2)28负选择作用于隐性基因a时a基因频率一代后变化值：-Spq2/(1-Sq2)S一般较小（<0.2），当f(a)为2/3左右时，选择对a的频率改变值最大a为稀有基因时，难以清除aS越大，a的改变越快29负选择作用于显性基因A时基因型AAAaaa起始频率p22pqq2适合度1-S1-S1一代后频率P2(1-S)/(1-S+Sq2)2pq(1-S)/(1-S+Sq2)q2/(1-S+Sq2)A频率变化值-Spq2/(1-S+Sq2)30负选择作用于显性基因A时f(A)为1/3时，选择对A的频率改变值最大当频率小时，选择作用对显性基因A的作用显著大于对隐性基因的影响31负选择作用于纯合基因型AA和aa时基因型AAAaaa起始频率p22pqq2适合度1-S11-S一代后频率P2(1-S)/(1-S+2Spq)2pq/(1-S+2Spq)q2(1-S)/(1-S+2Spq)A频率变化值32平衡选择A基因频率一代后变化值：Spq（1－2p）/[1－S(p2＋q2)]f(A)<0.5时，选择会拉高A的频率f(A)>0.5时，选择会降低A的频率f(A)=0.5是稳定平衡状态镰状细胞贫血基因33突变与自然选择的联合作用突变产生新的隐性基因a

up-vq负选择清除不好(不够强)的隐性基因a

-Spq2/(1-Sq2)因为q很小，可得

up=Spq2，q2=u/S34突变与自然选择的联合作用突变产生新的显性基因A

vq-up负选择清除不好(不够强)的显性基因A-Spq2/(1-S+Sq2)因为p很小，可得

vq=Spq2，p=v/S35两种情况的比较在突变率相同和选择系数S相同的情况下，受到负选择的显性基因的频率会比隐性基因低很多，因为负选择无法影响带隐性基因的杂合基因型假定突变率u=v=0.00001A受到负选择时A的平衡频率a受到负选择时a的平衡频率S=10.000010.00316S=0.10.00010.01S=0.010.0010.031636影响因素3：随机遗传漂变(randomgeneticdrift)在一个小群体中，基因频率的代际间随机波动的现象S.Wright1930年提出，莱特效应（Wrighteffect）来源于取样误差（抽样结果相对于总体值的随机偏差）有效群体大小(effectivepopulationsize)：能有效产生子代的亲本个体数量遗传漂变的后果：

基因频率逐代改变

多态性减少

不同群体间的歧化37漂变的极端例子奠基者效应(foundereffect)：一个新的群体只由少数个体建立起来时，它们的基因频率很大程度上决定了后代的基因频率瓶颈效应

(bottleneckeffect)：一个群体的大小发生骤减，甚至面临灭绝，此时群体的等位基因频率发生急剧变化，某些基因甚至可能从基因库中消失，然后由存活的少数个体重新建立一个新的群体大群体大群体小群体38影响因素4：迁移(migration)个体从一个群体迁移到另一个群体的过程形成迁移压力（migrationpressure），导致群体间的基因流（geneflow），可打破哈迪-温伯格平衡39迁移作用的一个简单模型群体I到II的迁移率为m，A在I和II的频率为pm和p0，可推导p1=(1-m)p0+mpm=p0-m(p0-pm)基因流的作用：一方面可增加迁入群体的多态性，另一方面可促进迁入和迁出群体基因频率趋向一致，阻止群体间发生歧化。迁移是一种均化力量（homogenizingforce）40影响因素5：非随机交配(nonrandommating)非随机交配：个体间交配的机会不均等近交(inbreeding)：偏向与有近亲关系的个体交配远交(outbreeding)：偏向与亲缘关系较远的个体交配每个个体产生后代数量相同的情况下，非随机交配不会改变基因频率，只改变基因型频率如果交配偏好导致不同基因型个体后代数量不一致，属于自然选择的一种特殊形式：性选择41最极端的近交：自交自交可使单基因杂合子的个数减半r个基因座在自交n代后的纯合率x=（1-1/2n)r

但大量自交的物种也会存在杂合个体42近交衰退(inbreedingdepression)本来是杂交繁殖的生物，让其进行自交，随着纯合度的增加，机体的生活力不断下降，甚至出现畸形性状遗传负荷(geneticload)：有害基因存在导致群体适合度降低的现象，用个体平均带有的有害基因数量衡量，来源于突变负荷，基因突变产生有害基因分离负荷，适合度高的杂合子基因分离后产生适合度低的隐性纯合子一些物种通过自交不亲和来避免近交衰退近交的纯合性高，性状整齐，便于人工选育作物（长期选择剔除有害基因）43近交系数(inbreedingcoefficient,F)一个个体是同源纯合的概率一个Aa杂合体自交产生第n代子代中个体的近交系数F=（1-1/2n)r

近亲婚配的近交系数A1A2A3A4中华人民共和国民法典第一千零四十八条：直系血亲或者三代以内的旁系血亲禁止结婚。44平均近交系数（meanofinbreedingcoefficient）群体中所有个体的近交系数的平均值利用群体中杂合子减少的程度来估算近交系数F=

(2pq-H)/2pqH：实际观测到群体的杂合子频率2pq：哈迪-温伯格定律预期的杂合子频率用某群体数据计算得到F值显著大于0，是否表明该群体有大量近交事件？45近亲繁殖平衡定律(Wrightequilibrium)杂合子频率H=2pq-2Fpq如果每代近交系数F不变，那么基因型频率为AA:Aa:aa=(p2+Fpq):(2pq-2Fpq):(q2+Fpq)f(A)=p2+Fpq+pq-Fpq=pf(a)=q2+Fpq+pq